1.3. Рабочие среды и спектры излучения эксиламп барьерного разряда

В эксилампах используются рабочие среды, состоящие из инертных газов или их смесей с галогенами. Особенностью данных сред является характер релаксации энергии по электронным состояниям эксимерных или эксиплексных молекул, образуемых в среде в процессе ее возбуждения, и относительно большая энергия фотона, излучаемого при переходе молекулы в основное состояние [10].

Наличие ионизованных и возбужденных состояний, связанных между собой многочисленными пересечениями кривых потенциальной энергии, приводит к тому, что в процессе релаксации среды последовательно безызлучательно заселяются состояния с верхних возбужденных к нижним состояниям[8].

Рис. 4. Нижние термы молекулы, состоящей из атома инертного газа и атома

галогена, и интенсивные излучательные переходы между ними [10].

Дальнейший переход с нижних возбужденных состояний для эксиплексных молекул (B, C, D, рис.3) к основному (разлётное A и слабосвязанное или разлётное X состояния) осуществляется за счет излучения, при этом энергетический зазор между нижним возбужденным и основным состояниями молекулы весьма большой. Этим объясняются, во-первых, высокая эффективность преобразования энергии, вводимой в среду, в излучение; во-вторых, наличие вэмиссионном спектре лишь указанной группы переходов, относящихся к УФ или ВУФ диапазонам. При этом наиболее интенсивным является B-X переход.

В спектре могут присутствовать более слабые полосы D-X, B-A, C-A переходов, а также полосы молекул галогенов (Табл. 1 и 2).

Таблица 1.

Длины волн основных переходов эксиплексных молекул [31].

R - атом инертного газа	Y - атом галогена	Длины волн на различных переходах молекулы RY*, нм
		D1/2 → X1/2	B1/2→ X1/2	C3/2→ A3/2	B1/2→ A1/2
Ne	F	106	108	110	111
Ar	F	185	193	203	204
Ar	Cl		175		195
Ar	Br		165	172	183
Kr	F	220	248	275	272
Kr	Cl	200	222	240	235
Kr	Br		207	222	228
Kr	I		190	195	225
Xe	F	264	351	460	410
Xe	Cl	236	308	345	340
Xe	Br	221	282	300	325
Xe	I	203	253	265	320

Таблица 2

Длины волн переходов эксимерных молекул и гомоядерных молекул галогенов[21].

R2*,Y2*	Длина волны, нм
Ar2*	126
Kr2*	146
Xe2*	172
F2*	158
Cl2*	259
Br2*	289
I2*	342

Образование эксимерных и эксиплексных молекул в рабочей среде происходит по разным каналам [10]. Эксимерные молекулы возникают в реакции ассоциации:

(3)

где R*, R – атомы инертного газа в возбужденном и основном состоянии

соответственно.

Рис.5. Изменение спектра излучения ксенона при различных давлениях, возбуждаемого барьерным разрядом. 1 – 37 Торр, 2 – 52 Торр, 3 – 75 Торр, 4 – 510 Торр.

Скорость реакции (1) пропорциональна квадрату концентрации атомов в основном состоянии. Этим объясняется сильная зависимость интенсивности и вида спектра излучения инертного газа от давления. На рис.5 показаны изменения спектра излучения ксенона при различных давлениях, возбуждаемого барьерным разрядом[8]. Резонансная линия доминирует при низком давлении.

При увеличении давления в спектре наблюдаются две широкие полосы, условно называемые "первым" и "вторым" континуумами. К первому относят переходы с высоко лежащих колебательных уровней. Данный континуум прилегает к длинноволновой стороне резонансной линии. Второй континуум формируется переходами из нижних колебательных уровней возбужденного состояния и, соответственно, располагается на большем удалении от резонансной линии, в длинноволновую область. При давлении 100 Тор и более в спектре доминирует излучение второго континуума[8].

Эксиплексные молекулы формируются за счет так называемых "гарпунных" реакций (2) с участием возбужденного атома инертного газа и галогеносодержащей молекулы, или в процессе ион-ионной рекомбинации положительного атомарного или молекулярного иона инертного газа (R+, R₂+) с отрицательным ионом галогена Y⁻(3)[8]:

(4)

(5)

где TY, Y₂– галогеносодержащие молекулы, Y – атом галогена, M – третья частица, уносящая избыток энергии. В качестве частицы M могут выступать атомы рабочего или "буферного" инертного газа

Наиболее эффективными оптическими средами являются ксенон (эффективность излучения η молекул Xe₂* до 60%, длина волны λ = 172 нм; смесиKr-Cl2,Xe-Cl₂(молекулыKrCl*, λ ~ 222 нм,XeCl*, λ ~ 308 нм, η ~ 25 %);Xe-Br₂(XeBr*, λ ~ 282 нм, η ~ 15 %);Xe–I₂(XeI*, λ ~ 253 нм, η ~ 20 %). Здесь длина волны указана для максимума излучения В-Х перехода. Излучение на этих длинах волн хорошо пропускается кварцем, в том числе и на λ = 172 нм (кварц типа GE 021SUPER), что позволяет создавать отпаянные излучатели с большим сроком службы и обеспечивает их широкое применение[8].

Рис 6-9. Спектры излучения эксиплексных молекул KrCl*, XeCl*, XeBr*, XeI*

(длина волны в нм).

Спектры излучения эксиплексных молекул KrCl*, XeCl*, XeBr*, XeI* изображены на рис. 6 и 7 [8]. Видно, что вклад излучательного перехода В-Х (второй континуум) в оптимальных условиях составляет основную долю (70-85%) всей энергии излучения эксимерных молекул.

Спектры излучения совокупности эксиплексных молекул при определенных условиях могут состоять из нескольких полос соответствующих молекул одновременно. Кроме того, в этих спектрах присутствуют не только континуумы эксиплексных молекул, но и атомарные линии. В условиях барьерного разряда низкого давления XeI₂смеси (менее 100 mbar) был получен спектр, состоящий из ярко выраженных линий I*(λ= 183 нм, λ = 206 нм) и молекулярных полос KrI*(переход B-X: λ = 191 нм, переход B-A: λ = 225 нм) и I₂*(λ = 342 нм).

Авторы [12] исследовали поперечный объёмный разряд в смеси газов Ar:Kr:Xe:Cl₂при давлении 2-30 кПа. Было показано, что данный разряд является многоволновым источником УФ и ВУФ излучения с максимумами примерно равной интенсивности излучения на λ=175, 222, 236, 258 и 308 нм на переходах ArCl*(B-X), KrCl*(D-X), XeCl*(D-X), Cl2*(D'-A') и XeCl*(B-X) соответственно.

Спектр излучения, наряду с ресурсом и энергетическими параметрами является одной из основных характеристик эксилампы, как источника оптического излучения. Особенностью эксиламп является наличие в эмиссионном спектре лишь отдельных узких полос соответствующих молекул в УФ или ВУФ области длин волн. С помощью барьерного разряда могут быть одновременно получены линии и полосы излучения нескольких атомов и молекул.